Введение к работе
Диссертация посвящена экспериментальному исследованию развития и взаимодействия мод еустойчивости поперечного течения на модели скользящего крыла.
Актуальность темы. Как известно, летные качества образцов авиационной техники во многом звисят от течения, которое развивается вблизи их обтекаемой поверхности — в пограничном пое. При этом характеристики ламинарного и турбулентного пограничного слоев весьма /щественно отличаются и сильно влияют на возникновение отрывных явлений, на ээффициенты сопротивления, подъемной силы, теплопередачи и т.п. В связи с этим проблема аминарно-турбулентного перехода в пограничных слоях имеет не только большое іундаментальное, но и прикладное значение. В особенности это относится к трехмерным ограничным слоям, в частности на скользящих крыльях, где наряду с другими типами еустойчивостей большую роль в процессе перехода играет неустойчивость поперечного эчения. Этот тип течения развивается в пограничном слое скользящего крыла на участках азгона и торможения потока и может также реализовываться в пограничном слое над ращающимся в вязкой жидкости диском и т.п. Известно, что положение ламинарно-/рбулентного перехода в этих случаях во многом зависит от свойств поперечного течения, а менно от его устойчивости к стационарным вихрям и бегущим волнам, наклоненным под азличными углами к направлению потока. Обнаруженное в предыдущих исследованиях оминирование стационарных (вихревых) мод неустойчивости на начальных стадиях перехода на кользящих крыльях, привело исследователей к выводу о чрезвычайной важности основных заимодействий стационарных и бегущих мод неустойчивости поперечного течения, ведущих к азрушению трехмерного ламинарного пограничного слоя.
Цель работы. Целью данной диссертационной работы является получение характеристик :тойчивости трехмерного пограничного слоя на модели скользящего крыла по отношению к егущим модам неустойчивости поперечного течения и исследование механизмов нелинейных заимодействий стационарных и бегущих мод неустойчивости, доминирующих на начальных гадиях ламинарно-турбулентного перехода в трехмерном пограничном слое.
Научная новизна. Метод разложения волновых поездов на нормальные моды частотно-олнового спектра, разработанный ранее для двумерного пограничного слоя, впервые был рименен в данной работе в трехмерном пограничном слое для бегущих мод неустойчивости. Это озволило получить все основные характеристики устойчивости поперечного течения к зехмерным возмущениям и корректно сравнить результаты эксперимента с линейной теорией яойчивости.
В частности, для различных частот возмущений и различных углов наклона волновых екторов к направлению потока впервые получены такие характеристики устойчивости ограничного слоя скользящего крыла, как: пространственные инкременты нарастания, фазовые групповые скорости, собственные функции нормальных мод неустойчивости поперечного вчения. Применение нового метода возбуждения уединенных нормальных мод позволило
прояснить ряд важных механизмов нелинейного взаимодействия бегущих и стационарных мод неустойчивости поперечного течения в процессе ламинарно-турбулентного перехода.
Достоверность результатов. Результаты экспериментов докладывались и обсуждались на различных, в том числе международных конференциях и семинарах. Достоверность результатов подтверждается сопоставлением с теоретическими расчетами, проведенными по устойчивости поперечного течения в разных научных группах, согласованием полученных результатов с данными, полученными в других экспериментальных группах. Описываемые в данной работе эксперименты проводились в разное время в разных сериях измерений, которые продемонстрировали хорошую повторяемость результатов. Используемые в работе термоанемометрические методы измерений хорошо отработаны в экспериментальной группе, к которой принадлежит и автор данной диссертации.
Научная и практическая ценность. В результате проделанной работы впервые получена подробная информация о всех основных характеристиках устойчивости трехмерного пограничного слоя на скользящем крыле по отношению к нормальным бегущим модам неустойчивости поперечного течения, позволяющая глубже понять физику исследованного явления и апробировать методы расчета характеристик устойчивости. Подтверждена правомерность линейной теории устойчивости трехмерного пограничного слоя и ее способность описывать начальные стадии перехода пограничного слоя на скользящем крыле, что оспаривалось в ряде предыдущих исследований.
Выявлены некоторые основные механизмы нелинейного взаимодействия бегущих и стационарных мод неустойчивости поперечного течения, доминирующие на ранних стадиях перехода. Показан их резонансный характер.
Полученные результаты имеют как фундаментальное, так и прикладное значение. Они используются различными авторами для верификации методов расчетов и служат основой для создания инженерных методов предсказания положения ламинарно-турбулентного перехода на скользящих крыльях, основанных на линейной теории устойчивости. Кроме того, результаты исследований линейных и слабо-линейных стадий перехода, полученные в рамках данной диссертации, создают надежную основу для последующего, более углубленного изучения нелинейных стадий перехода в трехмерном пофаничном слое и механизмов его окончательного разрушения в турбулентное состояние.
На защиту выносятся:
методика возбуждения в пограничном слое скользящего крыла мод неустойчивости поперечного течения контролируемого частотно-волнового спектра;
результаты исследования характеристик линейной устойчивости трехмерного пофаничного слоя по отношению к бегущим нормальным модам неустойчивости поперечного течения;
методика изучения взаимодействия стационарных и бегущих мод неустойчивости поперечного течения в контролируемых условиях;
результаты исследования нелинейного взаимодействия вихрей неустойчивости поперечного течения с возмущениями сплошного спектра;
результаты изучения нелинейного взаимодействия стационарных и бегущих нормальных мод неустойчивости поперечного течения;
полученные в работе свидетельства применимости линейной теории устойчивости для описания начальных стадий перехода в трёхмерном пограничном слое на скользящем крыле. Апробация работы.
Основные результаты диссертации докладывались на семинарах ИТПМ СО РАН (г. Новосибирск), ВЦ РАН (г. Москва), Штутгартского, Берлинского и Гёттингенского университетов (ФРГ), Университета Пёдью и Калифорнийского технологического института (США), Пекинского университета (КНР) и представлялись на следующих симпозиумах и конференциях: XXXII Международной научной студенческой конференции (НГУ, г. Новосибирск, 1994); Fifth European Turbulence Conference (г. Сиена, Италия, 1994); IUTAM Symposium on Laminar-Turbulent Transition (г. Сендай, Япония, 1994); 7th, 8th, and 9th International Conference on Methods of Aerophysical Research (г. Новосибирск, 1994,1996,1998); IUTAM Symposium on Nonlinear Instability and Transition in 3D Boundary Layers (г. Манчестер, Англия, 1995); Colloquium 'Transitional Boundary Layers in Aeronautics" (г. Амстердам, Нидерланды, 1995); III Международный семинар по устойчивости гомогенных и гетерогенных жидкостей (г. Новосибирск, 1996); Eighth Beer-Sheva International Seminar on MHD-Flows and Turbulence (г. Иерусалим, Израиль, 1996); 27th AIAA Fluid Dynamics Conference (г. Новый Орлеан, США, 1996); XIV Международная школа "Модели механики сплошной среды" (г. Москва, 1997); Annual Conference of American Physical Society (США, 1997); EUROMECH Colloquium "Stability and Transition of Boundary-Layer Flows" (г. Гёттинген, ФРГ, 1997); IV и V Международный семинар по устойчивости течений гомогенных и гетерогенных жидкостей (г. Новосибирск, 1996,1997).
Публикации. Список работ, в которых представлены основные результаты диссертации приводится в конце автореферата и состоит из 19 публикаций.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 115 наименований и изложена на 135 страницах текста и содержит 68 рисунков.